Cette publication est accessible gratuitement
Lire

Définition de : MASSE, physique

De
6 pages
Article publié par Encyclopaedia Universalis MASSE, physique Comme dans l'usage courant (les masses populaires, une masse d'objets, etc.), le terme « masse » en physique renvoie à la question « combien ? ». Il désigne au départ une évaluation de la « quantité de matière » contenue dans un corps. L'importance de cette grandeur vient du rôle qu'elle joue pour caractériser l'inertie d'un corps, sa résistance aux changements de son état de mouvement : d'après la première loi de Newton, la force nécessaire pour conférer à un corps une accélération donnée est proportionnelle à sa masse. Ce rôle est général, et vaut quelle que soit la nature de la force (élastique, électrique, etc.). Ainsi, la masse est la grandeur physique sans aucun doute la plus fondamentale pour caractériser un corps. Cela est si vrai que la mécanique se construit sur la notion de point matériel ou de masse ponctuelle, objet physique idéal dont on néglige les dimensions, la forme, la substantialité, pour le réduire à un point sans extension qui ne garde de qualité physique que sa masse justement. Que le caractère énigmatique et presque paradoxal de cette abstraction (comment un objet dépourvu de toute volumétrie spatiale peut-il contenir une quantité de matière ?) ne l'empêche pas d'être d'une fécondité considérable, voilà qui en dit long sur l'importance de la masse. 2 E  =  mc , formule emblématique La notion de masse subit une profonde transformation dans le cadre einsteinien.
Voir plus Voir moins

Vous aimerez aussi

MASSE, physique

Comme dans l'usage courant (les masses populaires, une masse d'objets, etc.), le terme « masse » en physique renvoie à la question « combien ? ». Il désigne au départ une évaluation de la « quantité de matière » contenue dans un corps. L'importance de cette grandeur vient du rôle qu'elle joue pour caractériser l'inertie d'un corps, sa résistance aux changements de son état de mouvement : d'après la première loi de Newton, la force nécessaire pour conférer à un corps une accélération donnée est proportionnelle à sa masse. Ce rôle est général, et vaut quelle que soit la nature de la force (élastique, électrique, etc.). Ainsi, la masse est la grandeur physique sans aucun doute la plus fondamentale pour caractériser un corps. Cela est si vrai que la mécanique se construit sur la notion de point matériel ou de masse ponctuelle, objet physique idéal dont on néglige les dimensions, la forme, la substantialité, pour le réduire à un point sans extension qui ne garde de qualité physique que sa masse justement. Que le caractère énigmatique et presque paradoxal de cette abstraction (comment un objet dépourvu de toute volumétrie spatiale peut-il contenir une quantité de matière ?) ne l'empêche pas d'être d'une fécondité considérable, voilà qui en dit long sur l'importance de la masse.

E=mc2, formule emblématique

La notion de masse subit une profonde transformation dans le cadre einsteinien. C'est que la relativité einsteinienne ne réforme pas nos seules conceptions de la cinématique spatio-temporelle ; elle induit aussi une transformation des concepts dynamiques, comme l'énergie et la masse. La masse reste une propriété intrinsèque, un « invariant », indépendant de l'état de mouvement du corps, et caractérisant sa quantité de matière. À cet égard, la formulation selon laquelle la masse einsteinienne croîtrait avec la vitesse est un archaïsme qu'il faut abandonner ; c'est l'inertie du corps, en revanche, qui augmente avec sa vitesse. Une autre spécificité de la théorie einsteinienne est qu'elle oblige à reconnaître la possible existence d'objets de masse nulle. Ne connaissant pas le repos, se propageant sans trêve à la vitesse limite (la « vitesse de la lumière »), ces particules exhibent une forme de matérialité inédite et qui ne fut admise qu'avec retard ; en témoigne l'écart entre l'apparition d'un tel objet au sein de la théorie électromagnétique quantifiée (Einstein, 1905) et sa dénomination comme membre à part entière de la famille des quantons, le photon (Lewis, 1925). La découverte subséquente d'autres quantons dont la masse est (peut-être) nulle, les neutrinos, finira par banaliser la notion.

Mais la modification la plus profonde de la notion de masse se lit dans la fameuse formule E = mc2. Cette formule, la plus connue – et sans doute la seule connue des profanes – de toute la physique, a acquis au cours du xxe siècle un statut véritablement emblématique. On la trouve déclinée dans des titres de roman, des bandes dessinées, des timbres, des marques de vêtement, des publicités pour cosmétiques. Cette omniprésence est révélatrice d'une fascination devant la capacité de la science à ramasser les mystères de la nature en cinq signes au demeurant élémentaires.

La profondeur de la formule d'Einstein vient de ce qu'elle donne un nouveau sens à des concepts fondamentaux, ceux de masse et d'énergie, dont on pouvait penser que la mécanique classique les avait clairement et définitivement élucidés. Loin d'être indépendantes, ces deux notions doivent désormais être identifiées l'une à l'autre, le coefficient c2 jouant le rôle d'un simple facteur de conversion d'unités. Encore faut-il noter, pour éviter bien des malentendus, que la formule d'Einstein concerne l'énergie interne d'un corps, ou si l'on préfère, son contenu énergétique. L'énergie (E) se voit, par là, dotée d'une véritable substantialité, puisque l'accroissement d'énergie interne d'un objet se traduit par une augmentation de sa masse (m) ; ainsi, une montre mécanique remontée est plus massive que lorsque son ressort est détendu. Inversement, une partie ou même la totalité de la masse d'un objet peut se transformer en énergie cinétique, permettant des transmutations inexplicables par la mécanique classique ; le cas le plus spectaculaire est celui de l'« annihilation » d'un électron et d'un positron (ou d'un couple particule-antiparticule quelconque) en photons. La formule d'Einstein doit également être invoquée pour rendre compte des réactions nucléaires où la libération de quantités d'énergie considérables s'accompagne d'une diminution de la masse totale des noyaux au cours des réactions de fission ou de fusion. Dans ses Mythologies, Roland Barthes avait excellemment saisi la fascination de la formule : « L'équation historique E=mc2, par sa simplicité inattendue, accomplit presque la pure idée de la clef, nue, linéaire, d'un seul métal, ouvrant avec une facilité toute magique une porte sur laquelle on s'acharnait depuis des siècles. »

Masse et gravitation

Revenant à la mécanique classique, la notion de masse y joue un second rôle, qui relève spécifiquement des forces gravitationnelles, puisqu'elle entre dans l'expression de la loi d'attraction newtonienne, selon laquelle deux corps s'attirent en raison du produit de leurs masses (et en raison inverse du carré de leur distance) ; la masse ici est une sorte de « charge gravifique ». Dans cette seconde acception (particulière), on parle de « masse gravitationnelle », pour la distinguer de la première (générale), dite « masse inertielle ». C'est cette propriété qui lie le poids d'un corps (la force gravitationnelle qu'il subit à la surface de la Terre) à sa masse – mais les deux notions doivent être soigneusement distinguées : sur la Lune, la masse d'un astronaute est la même que sur Terre, mais la gravité réduite lui confère un poids six fois moindre.

Le double statut de la masse a pour conséquence que le mouvement d'un corps soumis à des forces purement gravitationnelles, pour des conditions initiales données, ne dépend paradoxalement pas de sa masse, qui n'influe ni sur la forme de la trajectoire, ni sur la façon dont elle est décrite au cours du temps. Partant d'un même point avec une même vitesse initiale, une bille de bois et une bille de plomb soumises à l'attraction terrestre ont la même trajectoire (si l'on néglige la résistance de l'air) : c'est une généralisation de la fameuse expérience de la tour de Pise faussement prêtée à Galilée. De même, le mouvement autour du Soleil d'un corps céleste, passant par un point donné avec une vitesse donnée, ne dépend pas de sa masse ; c'est d'ailleurs pour cela que la Lune accompagne si fidèlement la Terre dans son mouvement autour du Soleil ! La raison de cette indépendance est la suivante : la force gravitationnelle exercée par un certain corps (exemple, la Terre) sur un autre (un caillou) double si ce second corps est deux fois plus massif, mais l'inertie de ce dernier double aussi. La compensation exacte entre ces deux effets ne change donc rien à l'accélération (donnée par le rapport de la force à la masse), et, partant, au mouvement.

La stricte équivalence entre masse inertielle et masse gravitationnelle est si frappante et a des effets si profonds, qu'elle a été expérimentalement testée à de multiples reprises avec une exactitude toujours plus grande : la précision, de l'ordre de 5.10–3 dans les expériences de type galiléen sur la chute des corps, est passée à 5.10–9 dans l'expérience célèbre d'Eötvös (1889), puis à 5.10–13 actuellement (et bientôt sans doute 10–17), ce qui en fait l'un des résultats physiques les mieux établis. Jamais mise en défaut, cette égalité a été érigée en un « principe d'équivalence » par Einstein, et lui a permis de fonder la théorie relativiste de la gravitation. La forme purement géométrique de cette théorie, qui lui a valu son nom de « relativité générale », est en relation étroite avec l'indépendance paradoxale du mouvement d'un objet dans un champ de gravitation par rapport à sa masse.

La notion de masse recèle encore certainement des surprises, comme en témoigne l'irritant mystère qui pèse depuis des décennies sur les valeurs des masses des particules fondamentales. Alors que les charges de ces particules obéissent à un schème simple (elles sont quantifiées, données par des multiples entiers d'une charge élémentaire), leurs masses ne semblent obéir à aucune règle évidente. À titre d'exemple, l'électron fait partie de la famille des leptons, mais les masses de ses congénères muon et tauon, de même charge et obéissant aux mêmes interactions, sont plus élevées que celle de l'électron par des facteurs de 207 (plus précisément 206,768 26...) et près de 3 500 respectivement. La raison de ces grands écarts est loin d'être comprise. De même l'unification des interactions électromagnétiques et nucléaires-faibles aboutit-elle à regrouper au sein d'une même famille le photon (de masse nulle) et les bosons intermédiaires très massifs. Dans ce dernier cas, on a proposé un mécanisme quantique assez sophistiqué permettant d'engendrer ces masses, mais il repose sur l'existence d'une particule jusqu'ici non découverte, le boson de Higgs – et dont la valeur de la masse devrait, à son tour, être expliquée...

Auteur: Jean-Marc LÉVY-LEBLOND